Võimendi

Võimendi on seade, mis välist energiaallikat kasutades suurendab signaali võimsust. Võimendi põhiosa on reguleeriv element, mis muudab juurdejuhitava energia kulgu võimendi väljundisse vastavalt sisendsignaali muutumisele.

Toiteallikast saadud energiat muudetakse väljundis nii, et signaal oleks sisendiga võrdne aga suurema amplituudiga. Võimendi on oluline tänapäevaelektroonikas ning on kasutuses peaaegu kõigis elektroonikaseadmetes. Võimendi võib olla eraldi seade või kaasatud seadme vooluringi sisse.

Võimendeid saab liigitada erinevatel parameetrite järgi. Sageduse järgi, mida hakatakse võimendama; helivõimendid võimendavad helisignaale nõrgemad kui 20 kHz, raadiosageduse võimendid võimendavad sagedust vahemikus 20 kHz kuni 300 GHz. Lisaks saab kategoriseerida pinge võimendid, voolutugevuse võimendid. Lisaks saab ka eristada, kas väljund on lineaarne või mittelineaarne võrreldes sisendiga. Saab liigitada ka nende füüsilise asukoha järgi signaali ahelas. Võimendatava signaali ja reguleeriva elemendi järgi eristatakse elektrilisi, hüdraulilisi ja pneumaatilisi võimendeid:

• elektrilised võimendid: elektrimasinvõimendi, magnetvõimendi, elektronvõimendi;
• hüdrovõimendi, mida kasutatakse hüdroajamites, kus töökehaks on vedelik;
• pneumovõimendi, mida kasutatakse pneumoajamites, kus töökehaks on gaas (tavaliselt suruõhk).

Üht liiki signaali teiseks muutev seade ei ole võimendi, vaid muundur või andur. Samuti ei saa võimendiks lugeda trafot, mis muudab küll signaali pinget, kuid mitte selle võimsust.

Esimene elektroonikaseade, mis suutis võimendada, oli Audioni elektronlamp, mille leiutas 1906. aastal Lee De Forest. Elektronlampe kasutati kuni 1960ndateni, kuni leiutati takistid. Tänapäeval on enamikus võimendites kasutusel takistid.

Võimendi omadused

• Võimendamine, suureneb sisend- ja väljundsignaali suhet
• Ribalaius, kasuliku sageduse ulatus
• Efektiivsus, väljundsignaali ja kogu võimsuse suhe
• Lineaarsus, sisend ja väljundamplituudi suhe on sama nii suure amplituudi kui ka madala amplituudi sisendi korral.
• Müra, kõrvalise heli tekkimine väljundisse
• Väljundi dünaamiline ala, väljundi kasuliku ala väikseim ja suurim väärtus
• Pöördenurk, maksimaalne muutuse kiirus väljundis
• Tõusuaeg, hoidmise aeg, kohin ja üle reguleerimine, iseloomustavad voolu läbilaskekiirust
• Stabiilsus, vajadus vältida parasiitsignaali teket.

Bipolaartransistoridega võimendi

Elektronvõimendite tüübid

Võimendi võimsuse tõus sõltub allikast ja takistusest, määrav on ka pinge ja voolu tõus. Enamasti on võimendi lineaarne ehk võimendus on stabiilne. Mittelineaarse puhul lõigatakse signaali tipud ning väljund moonutatakse ja tekivad kaod. Lühitutvustus võimendi liikidele on järgnevalt.

Võimsusvõimendi

Võimsusvõimendi on tavaliselt viimane komponent süsteemis, mis võimendab väljamineva signaali amplituudi.

Elektronlampvõimendi

Kasutuses paljudes mikrolainevõimendites nagu klüstron, güroton, laine lamp ja ristväljaga võimendi.

Kasutatakse:

• Elektroonilise kitarri võimendamisel.
• Elektromagnetilise impulsi tekitamisel.
• Kõrgemahelikvaliteedi saamiseks.

Transistorvõimendi

Peamine roll on sisendsignaali võimendamine, et saada suurem väljundsignaal. Võimenduse määrab vooluahela disain ja aktiivseade. Levinumad aktiivseaded on BJT ja MOFSETid. Kasutatakse helivõimendites ja raadiosageduse võimendamisel.

Magnetvõimendi

Sarnaneb trafoga, kus üks mähis kontrollib magnetilise tuuma küllastavust ja sellega muudab teise mähise takistust. Kasutatakse alalisvoolumähistes ja tuumajaama lülitites, kuna ei ole mõjutatavad radioaktiivsuse poolt.

Operatsioonvõimendi

Tavaliselt väga suur avatud ahelaga tõus ja diferentsiaalne sisend. Välise vooluringi abil saab kontrollida ülekande funktsiooni või võimendust.

Kasutatakse enamasti integreeritud vooluahelates.

Täielik diferentsvõimendi

Sarnaneb operatsioonivõimendiga, kuid omab ka diferentsiaalseid väljundeid. Võimendab alalisvoolu elektroonilist pinget. Sisaldab tüüpiliselt BJT ja FET transistore.

Videovõimendi

Võimendavad videosignaale, millel on muutuv ribalaius. Ribalaiuse parameetrid sõltuvad kasutatavast filtrist.

Ostsilloskoobivõimendi

Videosignaalid, mis läbivad ostsilloskoobi ekraanitoru sagedusega kuni 500 MHz.

Jagatud võimendi

Kasutavad tasakaalustatud ülekandeliine, et eraldada üksikuid võimendusi mis on samal liinil. Ülekandeliini ühel liinil on sisendist ainult pool signaali tasakaalustatud. Sama liini väljundis on vastaspool tasakaalustatud. See võimaldab kasutada suuremat ribalaiust.

Lülitipõhised võimendid

Mittelineaarsed millel on parem efektiivsus kui lineaarsetel võimenditel, kuid ehitus on keerukam.

Negatiivse takistusega seadmed

Negatiivset takistust võidakse ka kasutada võimendites. Näiteks tunneldioodi võimendi.

Muusikariistavõimendi

Võimendavad heli või kõnet. Tähtsaimad parameetrid:

Sagedusriba – signaali tase varieerub vähekuuldavas sagedusvahemikus, nii et inimese kõrv ei märka kõrvalkaldeid. Enamasti 20 Hz kuni 20 kHz ± 0,5 dB.

Võimsus – piisavalt suur võimsus, mis ei too kaasa moonutusi. Vähe moonutusi – kõik võimendid ja transistorid muudavad signaali mingil määral. Ei ole võimalik edastada perfektset lineaarset signaali, kuid suudavad signaale töödelda nii, et inimese kõrv ei suuda tajuda moonutust.

Võimendi klassifikatsioonid

Sisend ja väljund muutujad

Elektroonilised võimendid

Elektroonilised võimendid kasutavad voolu ja pinget nii sisend- kui ka väljundsignaaliks. See võimaldab kasutada nelja tüüpi võimendeid.

Sisend	Väljund	Allikas	Võimendi tüüp
Vool	Vool	CCCS	Vooluvõimendi
Vool	Pinge	CCVS	Takistusvõimendi
Pinge	Vool	VCCS	Transjuhtivvõimendi
Pinge	Pinge	VCVS	Pingevõimendi

Inverteeriv ja mitteinverteeriv

Inverteeriv võimendi muudab väljundsignaali 180 kraadi võrra sisendsignaali suhtes. Mitteinverteeriv säilitab esialgse lainekuju ja võimendab signaali.

Funktsioonid

Võimendeid võib ka klassifitseerida vastavalt nende funktsioonile või väljund parameetritele. Funktsionaalsed kirjeldused kehtivad üldiselt tervele süsteemile või alamsüsteemile ning harva üksikutele etappidele.

• Servo võimendi näitab integreeritud tagasiside tsüklit, mis aktiivselt kontrollib väljundit soovitud tasandil. Alalispingemuundurist servo näitab sagedusi, kus ei esine heli kiireid kõikumisi heli või raadiosagedustel. Neid kasutatakse tihti mehaanilistes ajamites ajamites või alalisvoolumootorites, mis peavad säilitama tööks püsivat kiirust ja pöördemomenti.
• Lineaarne võimendi reageerib erineva sagedusega komponentidele sõltumatult ning ei tekita harmoonilisi ega intermodulatsioonilisi moonutusi. Ükski võimendi ei suuda anda täiuslikku lineaarsust.
• Laiaribalistel võimenditel on täpne võimenduse tegur laias sagedusalas ning seda kasutatakse tihti signaalide võimendamiseks sidesüsteemides releede abil. Kitsa lainealaga võimendi võimendab ainult konkreetses vahemikus sagedusi.
• Spetsiifiline võimendi, mida algselt kasutati analoog arvutites. On nüüd kasutuses laialdaselt mõõteriistades, kus toimub signaalitöötlus. Neid nimetatakse ka operatsioonivõimendiks. „Operatsioon“ tuleneb vooluringi võimest teha matemaatilisi algoritmilisi ülesandeid või funktsioone sisendsignaaliga, et saada teatud liiki väljundsignaal. Tüüpilisel operatsioonivõimendil on mitu sisendit (inverteeriv ja mitte-inverteeriv) ja üks väljund. Ideaalsel op-võimendil on omadustest:
  • Lõputu sisendi takistus (ei koorma vooluringi)
  • Null väljundtakistus
  • Lõputu võimendus
  • Null viivitus

Ühe- ja kahepoolne

Võimendi, mille väljund ei mõjuta sisendit on ühepoolne. Sisendkoormus ei sõltu koormusest ja väljundtakistus ei sõltu signaali kogutakistusest. Võimendi mis kasutab tagasisidet, et ühendata osa väljundisignaalist sisendiga on kahepoolne võimendi. Sellise võimendi sisendtakistus sõltub koormusest ja väljundtakistus sõltub signaali kogutakistusest. Kõik võimendid on mingil määral kahepoolsed, kuid nad võivad olla ühepoolsed töörežiimil, kus tagasiside on piisavalt väike.

Võimendite klassid

Võimendi A-, B-, AB- ja C-klassid on analoogsüsteemide jaoks. D ja E on lülitipõhised. Kui võimendi on alati töös, siis läbiviivat signaali muudetakse 360° ulatuses. Kui töötab pooltsükliliselt, siis muudab 180° signaalist. See määrab ka võimendi efektiivsuse.

A-klass

A-klassi võimendi

Kasutab kogu sisestatud signaali 360° ulatuses. Võimendav element on ebasümmeetriline ehk kogu signaal võimendatakse. Puudub sisse lülitamise viivitus, kuna on alati töös. Efektiivsem kõrgete sageduste puhul. Parim kasutada madala signaaliga raadiolainete vastuvõtmisel vähese müra tõttu.

A-klassi võimendid on ebaefektiivsed, kus teoreetiline efektiivsus on 50% kahepoolses ja 25% ühepoolses süsteemis. Puhke olekus peab pinge olema pool maksimaalsest väljundpingest ja suur osa voolust kandub ka väljundseadmesse väikeste signaalide puhul. Suure võimsuse puhul on kasutab võimendi lisaks ekstra vati iga väljundis võimendatud vati puhul.

Ebaefektiivsusest hoolimata on nad siiski kasutuses, kuna on lihtsa ehitusega. Hi-Fi A-klassivõimendid on muusikaentusiastide jaoks kultuseese, kuna puuduvad parasiitmoonutused ning vähendatud on paaritu harmooniline ning kõrgsageduslikud moonutused.

B-klass

B-klassi võimendi

Kasutab sisendsignaalist 50%, kus aktiivelement töötab 180° ja lülitub välja 180°. Pideval sisse- ja väljalülitamisel tekivad moonutused, kuid efektiivsus on parem kui A-klassi võimenditel. B-klassi võimendeid sobivad paremini akutoitel töötavatele süsteemidele, kuna maksimaalne teoreetiline efektiivsus on π/4 ≈ (78,5%).

Kombineerides kahte B-klassi võimendit, saab võimendada sisendsignaali mõlemat poolt, mis annab suure efektiivsuse. Võimendi ümberlülitus pärast esimest poolsignaali peab olema piisavalt täpne, et ei tekiks ristumiskoha moonutusi. AB-klassi ei lülitata võimendi mitteaktiivset elementi täielikult välja.

AB-klass

AB-klassi võimendi

A- ja B-klassi võimendid on omavahel kombineeritud. Mõlemad elemendid töötavad sarnasel põhimõttel nagu B-klassi võimendil, kuid väljalülitamise asemel töötavad nad vähesel määral ka teisel signaaliperioodil. Kui lainekuju mõlema poolt kokku pannakse on ristumisest tingitud moonutused vähendatud või isegi eemaldatud.

AB võimendite efektiivsus on alla 78,5%, et saavutada lineaarsem väljundsignaal.

C-klass

Kasutab vähem kui 50% sisendsignaalist ja väljundsignaali moonutused on suured, kuid annab suure efektiivsuse (kuni 90%). Töötamisel on kaks töörežiimi: häälestatud ja häälestamata. Pildil on lihtne C-klassi võimendi, mille lainekuju on häälestamata. Seetõttu on näha signaali suurt moonutust.

C-klassi võimendi

Õige koormuse korral juhtub kaks nähtust: keskmine väljundsignaali vool ja väljundsignaali kõrval kalded on seotud sisendvooluga. See taastab laine esialgse kuju olgugi, et ainult 180° signaalist läbib aktiivelementi. Teisalt on lainekuju keskelt vähem moonutatud ning järele jäänud moonutused sõltuvad ribalaiusele häälestatud suurusest. Häälestatud töörežiimi puhul resoneerib võnkering ühel sagedusel fikseeritud sagedusega. Seega soovimatuid sagedusi ei esine ja soovitud siinussignaal on välja venitatud vastavalt koormusele.

D-klass

Aktiivsed elemendid jäljendavad elektroonilisi lüliteid ning lineaarse signaali võimendamise asemel on nad kas sees või väljas. Analoogsignaal muudetakse pulsside jadaks (pulsimodulatsiooniga, impulsi tiheduse modulatsiooniga, delta-sigma modulatsiooniga või seotud modulatsiooniga) ning seejärel suunatakse võimendisse. Pärast võimendamist saab signaali madalpääsufiltriga muundada tagasi analoogsignaaliks. Madalpääsufilter eemaldab suure sagedusega kõrval kalded ning ühtlustab impulsi jada. Väljundpulsside sagedus on üldjuhul kümme või rohkem kordi suurem, kui sisendi suurim sagedus, mida võimendatakse. Seega madalpääsufilter saab piisava varuga eemaldada ebavajalikke harmoonilisi võnkumisi ja täpselt jäljendada sisendsignaali.

D-klassi võimendi peamine eelis on efektiivsus, kuna väljundpulssidel on fikseeritud amplituud. Lülituvad elemendid (MOFSET või elektronlambid) on kas täielikult välja või sisse lülitatud, selle asemel et töötada lineaarselt. AB-klassiga võrreldes on väiksemad sisemised kaod, sisendvool ning takistid vajavad vähemal määral jahutamist. Seetõttu on D-klassi võimendid alati väiksemad, kui sama võimsad AB-klassi võimendid.

D-klassi võimendi

D-klassi võimendi töötab ka digitaal sisendsignaali puhul ning ei vaja selleks digitaal-analoogmuundurit. Binaarne kood muudetakse pulsimodulatsioon signaaliks, mis lihtsustab sisemist vooluringi.

Kasutus

• Vooluallikas mõjutab alati võimendi signaali ning sellega tuleks arvestada.
• Võimsusvõimendi on sisendsignaali võimsuse regulaator. Ta reguleerib väljundit, vastavalt toiteallikale või koormusele.
• Võimendi vooluahel on avatus süsteem, mida kirjeldavad erinevad parameetrid (võimendus, pöördenurk, väljundtakistus, moonutamine, ribalaius, signaali-müra suhe jne).
• Paljud kaasaegsed võimendid kasutavad negatiivse tagasiside meetodeid, et hoida võimendi väärtusi soovitud vahemikus ning vähendada moonutusi. Negatiivse tagasisidega vooluahelad on loodud summutama mehaanilise dünaamilist jõudlust valjuhääldil.
• Võimendi väljundvõimsust vaadates on vaja arvestada ka takistust. Lühiajaline või pikemaajaline koormamine ja loodetav dünaamiline ulatus.
• Et vältida ebastabiilsust või ülekuumenemist peavad pooljuhtvõimendid olema piisavalt koormatud. Enamustel on märgitud minimaalne koormus.
• Kõik võimendid genereerivad soojust elektrienergia kadude tõttu. Võimendi peab soojust hajutama aktiivelemendist eemale.

Vaata ka

• Diferentsvõimendi
• Elektrooniline võimendi
• Hüdrovõimendi
• Operatsioonvõimendi